DNV培训---Chapter-5-Cracks-裂纹

船体结构失效类型学习目标学习目标学习目标学习目标课后应该掌握:1.不同的结构失效类型和相应的标准2.理解结构失效后的后果内容提要3.变形变形变形变形4.腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀2.失稳失稳失稳失稳1.裂缝裂缝裂缝裂缝5.案例案例案例案例内容覆盖:•失效类型•时效后果•强度标准裂缝CracksBucklingIndentCorrosion•疲劳裂缝–一般高周期疲劳–低周期疲劳–震动•断裂–过载•脆性断裂疲劳为什么着重于疲劳为什么着重于疲劳为什么着重于疲劳为什么着重于疲劳?•最常见的结构实效方式•需要大量的时间和钱去修理•可能导致油泄漏到海水中CracksBucklingIndentCorrosion疲劳基础理论S-N曲线（钢材）I.低周期疲劳(少于10000)-装卸货II.高周期疲劳(大于10000)-波浪载荷III.不发生疲劳破坏疲劳理论应力集中因素(SCF)σσσσσσσσσσσσ一般应力水平σσσσσσσσKwσσσσSCF焊接KwCracksBucklingIndentCorrosionσσσσσσσσKg.Kw.σσσσSCF圆孔σσσσσσσσKg.Kw.σσσσSCF椭圆型孔不宜的孔组合甲板板甲板板甲板板甲板板甲板纵骨甲板纵骨甲板纵骨甲板纵骨24/25甲板入口甲板入口甲板入口甲板入口通风孔CracksBucklingIndentCorrosion纵向应力纵向应力纵向应力纵向应力31⋅≈KCNσN=疲劳寿命(一般20年)σ=名义应力(动态应力震幅)K=应力集中因素C=常量(包括环境和应力水平，如压力/拉力）疲劳寿命CracksBucklingIndentCorrosionK=Kg●Kw●Kn应力集中因素;•Kg:结构几何因素(有限元分析有限元分析有限元分析有限元分析)•Kw:焊接形状(一般一般一般一般1,5)•Kn:不对称的加强骨架(L角钢角钢角钢角钢&球扁钢球扁钢球扁钢球扁钢)疲劳理论SCF.CracksBucklingIndentCorrosionPOSTFEM5.6-025SEP2SESAMXYZMODEL:T1-1DEF=2034:LINEARANALYSISNODALDISPLACEALLMAX=1.46MIN=0.696E-1.139.209.278.348.418.487.557.626.696.766.835.905.9741.041.111.181.251.321.39疲劳理论SCF.CracksBucklingIndentCorrosion•规范上疲劳标准基于20年全球范围航行•20年全球范围疲劳载荷相当于10年北大西洋航行疲劳寿命受航线影响CracksBucklingIndentCorrosion1.北海–2%2.北大西洋–15%3.美国西安-日本–18%4.日本–波斯湾–23%5.波斯湾–欧洲(绕过非洲)–42%1.2.3.4.5.3.CracksBucklingIndentCorrosion全球航行NauticusNewbuilding20年相对绕度CracksBucklingIndentCorrosion在横舱壁附近，由于相对绕度，会在旁纵骨上产生额外应力=2lfδσ动态海水压力cont=2lfδσ由相对绕度引起的应力应力与相对绕度成正比,δ应力与纵骨长度的平方成反比，l=减少纵骨长度会增加应力.CracksBucklingIndentCorrosionLookingdownonstringerBHD疲劳强度vs拉伸强度CracksBucklingIndentCorrosion注意：对于焊接结构，疲劳强度不受屈服强度影响。!屈服强度增加动态应力振幅动态应力振幅动态应力振幅动态应力振幅（（（（在在在在1百万周期后百万周期后百万周期后百万周期后产生裂缝产生裂缝产生裂缝产生裂缝）MSHTS疲劳强度vs拉伸强度CracksBucklingIndentCorrosion注意：对于焊接结构,疲劳强度不受拉伸强度影响!裂缝成长速度•疲劳寿命大部分是在裂缝发生阶段•裂缝发现之前的时间段说明裂缝成长速度(裂缝在5年/20年后发现)•裂缝成长速度受动态应力水平的影响•裂缝成长速度随着裂缝长度增加而加速•疲劳裂缝可能导致不稳定结构破裂，当达到一定的长度后。CracksBucklingIndentCorrosion旁纵骨上裂缝成长ConsideredcrackSideshell裂缝同时在腹板和面板上成长裂缝穿过面板后在腹板中再成长裂缝穿过腹板后，结构失效Crackgrowthprediction010020030040050000.20.40.60.81RelativetimeGlobalLocalLaboratoryWeb;550/12flange;150/21(mm)CracksBucklingIndentCorrosion开始100mm占疲劳寿命的90%裂缝延伸对照MS（普通钢）-HTS（高强度钢）CracksBucklingIndentCorrosion疲劳寿命优化用打磨工具磨圆焊缝边角用打磨工具磨圆焊缝边角用打磨工具磨圆焊缝边角用打磨工具磨圆焊缝边角疲劳寿命优化正确的被磨圆的焊缝边角正确的被磨圆的焊缝边角正确的被磨圆的焊缝边角正确的被磨圆的焊缝边角疲劳裂缝案例!你的经验？低周期疲劳低周期疲劳特点低周期疲劳特点低周期疲劳特点低周期疲劳特点:•由于重复装卸货，导致在应力集中部位产生的裂缝.•如果高应力点上总应力范围超过了屈服应力的3-3.5倍低周期疲劳就可能发生.(需考虑Kw因素=1,5)•经常在投运10年后发现裂缝典型位置典型位置典型位置典型位置:•双层底中垂向加强单位（双壳油船和散货船）CracksBucklingIndentCorrosionσx不同地方的应力分布低周期疲劳案例CracksBucklingIndentCorrosionσx压载装载船底纵骨裂缝船底纵骨扁钢连接处的裂缝CracksBucklingIndentCorrosion振动引起的疲劳•高周期疲劳•机器或者螺旋桨转动会引起高周期疲劳载荷•如果主动频率接近或者等于板架的自然频率，将在板架节点上产生高应力集中•水下的结构振动疲劳情况最严重Normallyworstforstructuresubmergedinwater•一般在航行2-3年发现疲劳CracksBucklingIndentCorrosion可以通过安装防震设备，或者修改结构改变自然频率，从而改善抗振动疲劳的能力。案例-振动裂纹Centrelineswashbhd.Tankno1foundontanktop160000DWTSuezmax油船,不到5年CracksBucklingIndentCorrosion疲劳裂缝的影响疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝:•降低结构局部强度.•产生泄漏,污染,进水,弄脏货物.•可能影响全局应力（主甲板，甲板纵桁，船侧的裂缝）•经常牵涉到很多的构件，所以维修费用很高.•可能导致断裂-如果维修不及时。CracksBucklingIndentCorrosion疲劳裂缝需要重视的几点需要重视的几点需要重视的几点需要重视的几点:•结构危险程度和裂缝成长速度.•发现裂缝导致危险前裂缝成长的时间和/维修方法.•重新焊接(碳刨并重新焊接).•按原来标准维修(插入新的板材).•设计优化（推荐）.•需要经常考虑相似的其他结构.•Oilmajor’sexpectpro-activeapproach;•重复发生的裂缝，考虑设计优化.•要求船东定期检查.CracksBucklingIndentCorrosion标准维修方案（纵骨/横框架）CracksBucklingIndentCorrosion•10%的应力问题生产30%的疲劳问题•在焊接部位高强度钢的疲劳寿命与低强度刚相当•在油漆完整区域的构件的疲劳寿命是在腐蚀环境下相同构件的2-3倍•对称结构设计的疲劳寿命比非对称结构寿命要高•世界范围20年疲劳寿命北大西洋/北海10年疲劳寿命北大西洋/北海3-5年疲劳寿命（腐蚀环境）“经验”/关于疲劳CracksBucklingIndentCorrosion裂缝报告•检查报告中应包括哪些内容来描述裂缝？–准确的位置（包括舱号/左舷，右舷）.•哪个结构单元（板/纵骨/横框架…）•肋骨号...•横向纵骨号•纵向（甲板，船底板/船侧）–长度(mm)/方向和开始点(如果可能)–草图/相片(近距离&中等距离)在焊接部位，高强度钢比低强度钢有更好的疲劳性能吗？运营在波斯湾与新加坡之间的船比北海的船承受更危险的疲劳载荷？球扁钢比扁钢具有更好的疲劳性能吗？船侧疲劳裂缝主要由于全局强度变化引起？船体中材料质量的规范是否与板厚无关？脆性裂缝是船体中最常见的裂缝吗？NoYes疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝案例4,裂缝对于疲劳焊缝，重新焊接的修补方式是决不能接受的？只受压应力的结构不会发生疲劳破损？Adetailwhichisincompressionwillnotexperiencefatiguecracks.相对于全球航线的油船，短程油船更容易发生低周期疲劳破损？Shuttletankersaremorelikelytoexperiencelowcyclefatiguethanavesselonworldwidetrade.由于过多震动引起裂缝通常通过优化结构来解决（例如：添加肘板，打磨）Crackscausedbyexcessivevibrationsareusuallysolvedbyimproveddetaildesign(e.g.softnose,softbracket,grindingetc.).制荡舱壁相对应的横框架上的舷侧纵骨更倾向于疲劳破损？Sidelongitudinalsatweb-framesinlinewithswashbulkheadsaremorepronetofatiguecracks.具有完好油漆层的结构更容易发生疲劳破损？NoYes疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝疲劳裂缝案例4,裂缝